Hamburg will’s wissen


LCLS
© SLAC National Accelerator Laboratory (CC BY-NC 2.0)

Nach wievielen Lichtpulsen hat der European XFEL eine 1cm dicke Bleiplatte durchschossen?

Jan (44 Jahre)

Antwort

Bei voller Leistung etwa 5 Minuten, abhängig von den Fokussierungsbedingungen des Röntgenstrahls.
Hier die Berechnung des Spezialisten:

This is the estimation for the case if we would optimize beam parameters to burn through 10 mm of Lead. Namely, lowest photon energy: 260 eV, pulse energy: 10 mJ, beam size: 1 mm (to keep aspect ratio within 10):
- mass of lead within cylinder Ø1×10 mm is 89 g, which is 0.43 mol of substance
- heat of vaporization of lead is 180 kJ/mol, meaning that we need 77 kJ of energy to evaporate that cylinder
One XFEL pulse delivers 10 mJ of energy, which means that we need 7.7 million pulses (at full repetition rate of 27 kHz it's just about 5 minutes).

Dr. Harald Sinn (Gruppenleiter Röntgenoptik & Strahltransport, European XFEL) und Dr. Viktor Lyamayev (Central Instrumentation Engineering, European XFEL)

Antwort

Die Frage ist nicht ganz so einfach zu beantworten, weil es davon abhängt, wie stark die Strahlung fokussiert ist und welche Wellenlänge genutzt wird.

Ich war dabei, als wir am LCLS in Kaliifornien uns versehentlich durch etwa 2mm Stahl gebohrt haben. Das ging in wenigen Sekunden. LCLS hatte aber zu der Zeit nur 60 Impulse pro Sekunde, der European XFEL wird 27000 Impulse pro Sekunde mit vergleichbarer Stärke erzeugen. Daraus lässt sich schließen, dass es nur Sekunden dauern sollte, durch eine Zentimeter dicke Bleiplatte zu kommen. Dafür dass es noch schneller geht, spricht die bessere Fokussierberkeit des European XFEL. Wir haben am SPB/SFX Instrument einen Fokus, der nur einen Mikrometer durchmesser hat. Am LCLS betrug der Durchmesser etwas mehr als 10 Mikrometer. Deshalb erreicht der European XFEL im Fokus etwa die hundertfache Energiedichte. Die Wellenlänge des European XFEL ist kürzer als die des LCLS-Instruments an dem ich gearbeitet hatte. Kürzere Wellenlängen werden weniger stark absorbiert, sie durchdringen Materie besser. Das spricht dafür, dass es etwas länger dauern wird, die Bleiplatte zu durchdringen.

Es ist recht schwer auf die Frage eine eindeutige Antwort zu geben. Wenn wir es darauf anlegen, können wir recht schnell und effektiv kleine Löcher bohren. Dafür würde ich eines der Instrumente für weiche Röntgenstrahlung nehmen und möglichst gut fokussieren. Wir benutzen aber auch Bleiplatten zur Abschirmung, die wir natürlich nicht durchbohren wollen. Diese Platten befinden sich gerade nicht im Fokus sondern in einem Bereich, wo der Strahl auf einige Millimeter aufgeweitet ist. Dort werden die Bleiplatten nicht mehr durchgeschmolzen.

Dr. Joachim Schulz
Gruppenleiter "Probenumgebung"
European XFEL

#54.162.60.75